0引言

噴丸強(qiáng)化是一種傳統(tǒng)的材料表面強(qiáng)化手段，其工 藝相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是效果明顯，被廣泛的應(yīng)用于航天 航空、核電、機(jī)車、汽車等各個(gè)領(lǐng)域。噴丸強(qiáng)化是一個(gè) 冷處理過程，其原理是利用高速?gòu)椡枳矒舨牧?，即無數(shù) 個(gè)彈丸撞擊金屬零件表面，在材料表面形成小壓痕或 凹坑，使材料表面發(fā)生塑性變形，從而在金屬表面產(chǎn)生 殘余應(yīng)力 ?J。表層下壓縮的晶粒由于要恢復(fù)到原來的 形狀，從而會(huì)產(chǎn)生一個(gè)均勻的殘余壓應(yīng)力層，使材料表 面得到強(qiáng)化經(jīng)過噴丸處理之后，材料表層的組織結(jié)構(gòu) 發(fā)生變化，晶粒細(xì)化，位錯(cuò)密度增大，晶格畸變?cè)龃?，?nbsp;終形成很高的殘余壓應(yīng)力。材料表層殘余應(yīng)力的存在 將明顯地提高材料的抗疲勞性能和疲勞壽命，提高材 料表面的強(qiáng)度和硬度、以及抗應(yīng)力腐蝕及耐高溫氧化等性能。

1噴丸強(qiáng)化

噴丸用的丸體，是用鑄鋼或鍛鋼、不銹鋼、陶瓷或 玻璃等制成的。在噴丸過程中，具有足夠能量的彈丸 錘擊工件表面，并在充裕的時(shí)間內(nèi)，以冷加工的形式在 工件表面造成重疊的凹點(diǎn)。生成凹點(diǎn)的作業(yè)過程引起 壓應(yīng)力并拉伸表面結(jié)構(gòu)。這一變化過程被工件內(nèi)層未 受錘擊的部分所阻擋，所以，就在工件表面和近表層產(chǎn) 生殘余壓應(yīng)力見圖1。這種壓應(yīng)力會(huì)消除因修磨、熱處 理、焊接、電鍍或硬化涂層而造成的有害殘余拉應(yīng)力。

除此之外，當(dāng)進(jìn)行噴丸處理的工件受到來著外部 的載荷時(shí)，如彎曲，表面殘余應(yīng)力就會(huì)減少工件表面或 接近工件表面的外加拉應(yīng)力的強(qiáng)度，而幾乎所有的疲勞和應(yīng)力腐蝕造成的斷裂都是在這些地方生成的見圖 2。因?yàn)闅堄鄳?yīng)力的高峰值總是出現(xiàn)在接近工件表面 的地方，所以，噴丸是消除外加拉應(yīng)力的最有效工藝手 段。這些外加應(yīng)力包括由于彎曲或扭曲造成的應(yīng)力， 或由于局部應(yīng)力源，如刻痕、圓角半徑、截面變化、焊接點(diǎn)或表面疵點(diǎn)而造成的應(yīng)力。

1.1噴丸殘余應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)化作用

當(dāng)有殘余應(yīng)力存在時(shí)，疲勞裂紋的萌生位置則移 向次表面，產(chǎn)生疲勞裂紋所需的外加交變應(yīng)力提高，即 提高了疲勞強(qiáng)度。特別當(dāng)零件表面有缺口或微裂紋 時(shí)，殘余壓應(yīng)力的作用更為顯著。噴丸材料表層中殘 余壓應(yīng)力提高疲勞性能原因有兩個(gè):

第一，抵御由外力或外力矩在零件表層產(chǎn)生的拉 應(yīng)力，使作用在材料上的最大交變應(yīng)力水平下降，從而 提高了裂紋開始擴(kuò)張的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，當(dāng)殘余壓 應(yīng)力層的深度超過微裂紋的深度時(shí)，平均應(yīng)力的下降也能降低疲勞裂紋的擴(kuò)展速度。 第二，殘余壓應(yīng)力能阻止位于最大剪應(yīng)力方向附近的晶體滑移，因而壓應(yīng)力區(qū)比拉應(yīng)力區(qū)總是需要更 大的外力才能使晶體開始滑移。

1.2噴丸組織強(qiáng)化作用

噴丸組織強(qiáng)化的作用在于，噴丸優(yōu)化了形變層內(nèi) 的組織結(jié)構(gòu)，使晶塊(晶粒、亞晶和位錯(cuò)胞)細(xì)化、位錯(cuò) 密度和顯微畸變?cè)龈呷鐖D3所示，在某些情況下也可 能發(fā)生相變強(qiáng)化等。這種組織結(jié)構(gòu)的變化一方面使形 變層內(nèi)的晶體不易發(fā)生滑移，另一方面又能把內(nèi)部金屬所發(fā)生的滑移阻止在形變強(qiáng)化層與內(nèi)部的界面上， 上述作用均會(huì)阻礙疲勞裂紋在材料表面上的萌生，從而延長(zhǎng)了材料的疲勞壽命。

1.3表面形貌的作用

噴丸對(duì)零件表面造成的變化可能成為強(qiáng)化因素， 也可能是弱化因素，這取決于零件噴前得表面狀態(tài)和 噴丸工藝。當(dāng)受噴前表面粗糙度值較高，且噴丸強(qiáng)度 不大時(shí)，噴丸后表面粗糙度值反而降低，此時(shí)噴丸對(duì)表 面形貌的改變即為強(qiáng)化因素;當(dāng)噴丸后表面粗糙度值 顯著提高或由于過噴引起表面微裂紋，將降低受噴零 部件的疲勞強(qiáng)度。

2 噴丸強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用

噴丸技術(shù)的強(qiáng)化效果顯著，效率高，限制小，實(shí)施的難度較低，因此應(yīng)用越來越廣泛。噴丸強(qiáng)化機(jī)理和 大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，噴丸強(qiáng)化適用的材料和零件應(yīng)具 有表1中的特點(diǎn)。

3噴丸工藝的選擇

噴丸工藝參數(shù)包括彈丸速率一空氣壓力或拋丸轉(zhuǎn)輪的速度、彈丸流量、彈丸的撞擊的角度、噴嘴與標(biāo)靶 零件的距離(相隔距離)、彈丸尺寸(規(guī)格控制)、彈丸硬 度(規(guī)格控制)、噴嘴的設(shè)計(jì)、噴砂管的尺寸和狀況。但 是研究者從眾多的影響因素中歸結(jié)為噴丸介質(zhì)、噴丸 強(qiáng)度和覆蓋率的影響。

3.1噴丸介質(zhì)的選擇 噴丸介質(zhì)(彈丸)的選擇主要依據(jù)零件的力學(xué)性能、形狀、尺寸及服役條件，包括彈丸種類和尺寸選擇 兩方面。

丸強(qiáng)化用彈丸有金屬?gòu)椡?如鑄鐵丸、鑄鋼丸、 切制鋼絲丸和不銹鋼丸等)和非金屬?gòu)椡?陶瓷丸和玻 璃丸等)。金屬?gòu)椡柚需T鋼丸韌性好，成本較低，因此 應(yīng)用較多。陶瓷彈丸是一種較新的噴丸介質(zhì)，可用于 替代玻璃丸和部分替代鑄鋼丸。

彈丸種類的選擇一般應(yīng)遵循:

(1)黑色金屬可用各種彈丸，有色金屬及不銹鋼零件建議選用非金屬丸或不銹鋼丸。

(2)對(duì)噴后表面粗糙度要求不高的零件可選擇金屬丸，反之則應(yīng)選擇陶瓷丸或玻璃丸。

(3)受噴材料硬度較高，應(yīng)選擇高硬度的彈丸。

彈丸的尺寸選擇應(yīng)遵循以下原則:

(1)對(duì)于零件狹縫和溝槽等非開放式受噴部位，彈 丸的尺寸應(yīng)保證一定的通過性，如齒根R較小的的齒 輪，彈丸直徑應(yīng)小于R/2。

(2)對(duì)于噴丸前表面粗糙度值較大的零件，宜選擇 較大尺寸的彈丸，反之則宜選擇較小尺寸。

(3)對(duì)于噴丸后表面需要進(jìn)行機(jī)械加工的零件噴 丸，彈丸宜選擇較大尺寸。

3.2噴丸強(qiáng)度的選擇

噴丸強(qiáng)度是噴丸介質(zhì)沖擊能量的度量值，噴丸強(qiáng)度通常使用ALMEN試片進(jìn)行度量，零件噴丸強(qiáng)度的選 擇應(yīng)遵循以下原則:

(1)應(yīng)保證噴丸變形能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。

(2)在保證不產(chǎn)生損傷的前提下，提供足夠的強(qiáng)化 效果。

(3)同樣的材料噴丸強(qiáng)化，噴前零件的表面粗糙度 值越高，則噴丸強(qiáng)度應(yīng)隨之適當(dāng)增大。

(4)對(duì)于噴丸前表面電鍍或噴后表面進(jìn)行機(jī)械加 工的零件噴丸，應(yīng)選擇較大的噴丸強(qiáng)度。

3.3噴丸覆蓋率

受噴零件表面上彈丸坑占據(jù)的面積與受噴表面總 面積之比，通常以百分?jǐn)?shù)表示，稱為表面覆蓋率。噴丸 覆蓋率的選擇應(yīng)根據(jù)受噴零件的實(shí)際狀態(tài)而定，一般 情況下對(duì)于室溫服役的零件，噴丸覆蓋率應(yīng)達(dá)到 100%;而對(duì)于高溫下服役的零件則應(yīng)根據(jù)零件的服役 狀態(tài)通過試驗(yàn)確定最佳噴丸覆蓋率。

4噴丸強(qiáng)化效果的表征

4.1噴丸殘余應(yīng)力的表征

噴丸殘余應(yīng)力隨著距表面深度的增加逐漸增大， 到達(dá)最大值后逐漸降低，在壓應(yīng)力層以下區(qū)域變?yōu)檩^ 小的拉應(yīng)力。噴丸后材料的殘余應(yīng)力隨層深的分布曲 線如圖4所示，lysrs為表面殘余應(yīng)力、o-mtrs為最大殘 余壓應(yīng)力、Zm為最大殘余壓應(yīng)力層深、Zo為殘余應(yīng)力總體層深。 噴丸殘余應(yīng)力的分布與材料強(qiáng)度以及噴丸強(qiáng)度有關(guān)，噴丸強(qiáng)度一定時(shí)，材料的強(qiáng)度越高，殘余壓應(yīng)力層 深越小;材料一定時(shí)，噴丸強(qiáng)度越高，殘余壓應(yīng)力層深越大，表面殘余應(yīng)力和最大殘余壓應(yīng)力也相應(yīng)提高。

噴丸殘余應(yīng)力的測(cè)量方法可以分為應(yīng)力松馳法、應(yīng)力敏感性測(cè)應(yīng)力法和x射線衍射法三類。 

應(yīng)力松馳法屬于機(jī)械測(cè)定法，其測(cè)量原理是對(duì)材 料進(jìn)行局部分離或分割，除去一部分才材料，從而使殘 余應(yīng)力被局部釋放，使原有的殘余應(yīng)力松馳，從而產(chǎn)生 彈性變形，然后可根據(jù)彈性變形量得大小來計(jì)算殘余應(yīng)力的數(shù)值。 

應(yīng)力敏感性測(cè)應(yīng)力法是利用金屬材料的某些對(duì)殘余應(yīng)力比較敏感的性能，如磁性、聲波的傳播速度和硬 度等，當(dāng)材料內(nèi)存在殘余應(yīng)力時(shí)，這些性能會(huì)有明顯的 變化，測(cè)量這些性能的變化就可以推算出殘余應(yīng)力的 數(shù)值。

X射線衍射法屬于物理測(cè)試法，無需對(duì)材料進(jìn)行 分離或切割，可以直接通過測(cè)量材料的彈性求得殘余 應(yīng)力值。

4.2噴丸疲勞性能的表征

一般來說，材料的強(qiáng)度極限越高，外加應(yīng)力水平越低，試樣的壽命越高;反之，則疲勞壽命越低。表示這 種外加應(yīng)力水平和標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞壽命之間的關(guān)系曲線 稱為中值S—N曲線，幾種典型的S—N曲線如下圖所示，圖(5一a)為結(jié)構(gòu)鋼和鈦合金的典型形式，圖(5一b) 是有色金屬和腐蝕疲勞的典型形式。

S—N曲線較為完整的反應(yīng)不同載荷下的疲勞壽 命以及疲勞極限，但所需試樣較多，試樣量較大;而疲勞壽命對(duì)比的方法每組試樣最少只需3支，通過對(duì)比噴丸強(qiáng)化試樣的疲勞壽命增益即可表征噴丸強(qiáng)化效果的好壞。

使用疲勞性能檢測(cè)應(yīng)注意:

(1)疲勞試樣的噴前表面狀態(tài)應(yīng)盡量模擬噴前實(shí) 際零件表面。

(2)疲勞試驗(yàn)應(yīng)盡量模擬實(shí)際零件服役狀態(tài)下的 受載情況。

5結(jié)論 

噴丸是一個(gè)看似簡(jiǎn)單，但是卻受多種因素影響的特殊過程，通過對(duì)噴丸強(qiáng)化機(jī)理，噴丸成型工藝的選擇 以及噴丸強(qiáng)化效果檢測(cè)的三個(gè)方面來詳細(xì)介紹了噴丸 技術(shù)對(duì)于提高材料抗疲勞性能或抗應(yīng)力腐蝕的顯著效 果，進(jìn)一步對(duì)于噴丸的特殊過程控制應(yīng)該從那幾個(gè)方面人手提供了一定的借鑒意義。